Molekulare Mechanismen der allosterischen Aktivierung und Inhibition durch die PIF-Tasche in AGC-Proteinkinasen

• Antragsteller: Dr. Ricardo M. Biondi
• Fachliche Zuordnung: Biochemie
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2016
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 260789367

Allosterie, ein Konzept das ursprünglich entwickelt wurde, um die Regulation multimerer, symmetrischer Proteine zu erklären, gilt heutzutage als der grundlegende Mechanismus in der Signalübertragung durch Protein/Protein-Interaktionen und sekundäre Modifikationen. Vor 15 Jahren habe ich den Weg für die Entdeckung regulierender Bindungsstellen in der katalytischen Domäne von Proteinkinasen bereitet und im Laufe der Jahre habe ich mich auf die detaillierte Charakterisierung der Mechanismen der PIF-Tasche konzentriert, eine Bindungsstelle die in den meisten Proteinkinasen der AGC-Familie vorhanden ist. In PDK1 hat die PIF-Tasche zwei Rollen: 1- Es ist eine essentielle Bindestelle für das hydrophobe Motif (HM) von Substraten und 2- die Bindung des HM in der PIF-Tasche erhöht die PDK1-Aktivität. In den letzten 10 Jahren haben wir Pionierarbeit geleistet bei der Entdeckung und Entwicklung von allosterischen Verbindungen für die PIF-Tasche, von allosterischen Akitvatoren und Inhibitoren für PDK1 und andere AGC-Kinasen. Trotzdem sind die molekularen Erfordernisse der allosterischen Zielproteine unbekannt und sowohl in PDK1 als auch in anderen allosterischen Modellproteinen weitgehend unerforscht. Wir präsentieren hier die Kristallstruktur von PDK1 in Komplex mit dem HM-Peptid eines Substrats, welches in der PIF-Tasche bindet. Desweiteren beschreiben wir die Identifizierung der Verbindung PS653, welche die Bindung eines HM-Peptids in der PIF-Tasche von PDK1 verhindert. Allerdings zeigt unsere Kristallstrukur dass PS653 in der ATP-Bindetasche bindet. Während wir in unseren bisherigen Arbeiten Verbindungen indentifizierten, die in der PIF-Tasche binden und allosterisch das aktive Zentrum beeinflussen, beschreiben wir jetzt den umgekehrten Effekt: PS653 bindet in der ATP-Bindetasche und wirkt allosterisch auf die PIF-Tasche. Dies ist das erste Beispiel für eine bidirektionale allosterische Kommunikation zwischen orthosterischer und allosterischer Bindungsstelle in Proteinkinasen. Im vorliegenden Antrag werden wir Molekularbiologie, Biochemie und Kristallographie anwenden und mit Experten für Moleküldynamik kooperieren um wesentliche, verbleibende Aspekte zu untersuchen: Welches sind die molekularen Bedingungen für die direkte und reverse allosterische Kommunikation durch Verbindungen? Welches sind die molekularen Details der Interaktion zwischen PDK1 und ihren physiologischen Substraten? Wird der reverse allosterische Signalweg auch physiologisch genutzt? Dieses Projekt wird die molekularen Details der Interaktion von PDK1 mit Substraten und die bidirektionale, allosterische Modulation beleuchten. Da das Konzept Allosterie weitverbreitet ist in der Signalübertragung sowohl bei gesunden als auch bei kranken Menschen, erwarten wir, dass diese Forschung weitreichende Auswirkungen für die zukünftige Entwicklung von allosterischen Wirkstoffen haben wird. Innerhalb dieses Projekts werden wir zwei Medizinstudenten die Möglichkeit zur Promotion geben.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen